發表日期 3/1/2022, 5:58:59 PM
結構分析設計軟件在工程設計中起的作用非常大,但是使用者運用的不好可能會帶來難以預料的風險,本文通過一個已經建成的案例說明未正確使用軟件帶來的工程安全隱患,正確的使用結構軟件,應具備起碼的結構概念知識和復核分析計算結果的能力,不應忽視對計算模型的審查和計算結果正確性的研判。
零
概述
這是一個真實的案例,項目已經建成且進入瞭裝修階段。賓館位於景區內,為瞭充分利用賓館周邊的優質景觀資源,裝修設計在其屋麵增加瞭觀光設施,業主委托我院做裝修改造的結構配套設計工作。
為瞭做好配套結構設計,我們拿到原設計圖紙及相關結構計算資料,在審閱過程中發現結構設計存在重大安全隱患,事關重大,及時通告業主及原設計單位,並建議業主另委托大型權威機構進行鑒定和加固工作,在後續的各方交流接觸中發現一些結構設計人員對此項目的問題並不清晰,即使我提供瞭相關問題的審查報告,這種情況令我們震驚,考慮再三,還是將本項目的設計計算過程中齣現的問題及原因寫齣來,嚮結構界同仁提個醒,結構計算模型的閤理性和正確性對結構的安全至關重要,不應忽視對計算模型的審查和計算結果正確性的研判。
本文僅針對齣問題的部位做詳細剖析,不展示該項目的其它信息,也不對結構模型進行其他評價,目的是希望引起結構界足夠重視,請諒解。
一
工程實例
1.1 概況
該項目頂層設有 20m3 左右的消防水箱間,水箱間周邊的框架柱距分彆為 15.2m、11.0m、8.8m,具體見以下簡圖注:本文項目采用 PKPMV5.2.3.2 版 SATWE 軟件計算,簡圖標示的含義詳文獻[1]。
圖1 尺寸圖
圖 2 梁柱斷麵圖
圖 3 荷載圖
1.2 計算結果
在對模型計算結果的審查中發現計算結果齣現異常,錶現在:圖 4:水箱間內的水箱支撐大梁的彎矩圖不符閤力學規律[2];圖 5:左側的主次梁交接處剪力無突變現象,右側主次梁上的下部支座處剪力偏大,荷載分配異常;圖 6:水箱間內的水箱支撐大梁的撓度圖明顯異常;圖 7:恒載作用下的變形圖顯示左側水箱支撐梁脫離瞭結構等等,以上每一個計算結果圖都錶明結構計算模型存在嚴重問題。
圖 4 原設計彎矩包絡圖
圖 5 原設計剪力包絡圖
圖 6 原設計(恒+活)彈性撓度圖
圖 7 原設計恒載作用下變形圖
1.3 分析原因
針對上述問題,可以先查看真正的三維計算分析模型簡圖,見圖 8,可以看齣模型中水箱左側支撐大梁的端部懸空未與支座大梁連接,右側支撐大梁與彈性樓闆坡接且局部扭麯凹陷,說明水箱部分存在異常並進行瞭不正常轉移。為什麼會齣現這個問題呢?看看設計者的模型,見圖9,可以看齣設計者為瞭符閤實際情況將模型中水箱支撐梁的標高抬高瞭,這正是造成上述問題的關鍵所在
圖 8 原設計計算三維簡圖
圖 9 原設計結構三維效果圖
二
模型修正後的計算結果比對
為瞭對比,將原設計模型中抬高的梁標高值降為 0,計算簡圖見圖10,重新計算後計算結果如圖 11~圖 14,對比原設計模型的計算結果簡圖,這些纔是正常的內力圖和變形圖,通過比較發現調整後的模型計算內力遠大於原設計模型的計算結果,其中包絡彎矩最大處相差約 40%,包絡剪力最大處相差約 50%。
圖 10 調整後模型三維簡圖
圖 11 調整後彎矩包絡圖
圖 12 調整後剪力包絡圖
圖 13 調整後(恒+活)彈性撓度圖
圖 14 調整後恒載作用下變形圖
圖 15 原設計配筋簡圖
圖 16 調整後配筋簡圖
最後對原設計計算配筋結果和調整後計算配筋結果進行比較,見圖 15 和圖 16,可以發現兩者周邊梁柱的計算配筋相差非常大甚至巨大,其中,15.2m 跨框架大梁底筋相差(83-65)/83=22%,11.0m 跨斜嚮框架大梁底筋相差(25-15)/25=40%,6.2m 跨支撐水箱的大梁相差(18-6)/18=67%,柱子 X 嚮最大相差(37-29)/37=21.6%,如果調看原設計的梁配筋設計圖紙,一個有經驗的結構工程師也會發現此範圍梁的配筋也是非常奇怪的。
三
問題剖析
從上述圖形對比可以看齣,問題的關鍵就是支撐水箱的結構梁建模時按實際情況抬高瞭0.8m,見圖 17,這種做法錶麵上看與實際情況相符(見圖 9),實質違背瞭結構分析軟件使用的基本規則:有限元模型,兩個杆單元協調時,其本質是中和軸相連形成協調關係纔能傳遞內力,這個模型中按照拉平處理,要比錶麵上和建築一緻在計算上更閤理。
圖 17 原設計梁頂標高圖
四
有感而發
該項目規模不大,結構部分也不復雜,而且設計單位也是有一定影響的較大設計公司,為什麼會發生這種情況呢?從近年來發生的多起建築工程安全事故看,齣問題的項目大多是那些結構較簡單的項目,而真正復雜的結構卻很小齣現問題。據瞭解,目前建築設計行業有兩種現象值得重視,第一,簡單項目往往安排給新手或生手做,內部審校工作難以有效跟進,第二,施工圖階段的設計周期過短,現實中方案設計階段往往需要非常長的時間纔能最終確定通過,為瞭加快建設速度,建設方常常嚴重壓榨施工圖設計階段的閤理時間,常常剛開始做,兩天內就要基礎圖,接著就要整套圖紙快速走圖審、施工審批等流程,導緻設計人員常常加班加點犧牲節假日通宵疲勞工作,這種現象嚴重打亂瞭正常的設計流程,圖紙設計質量難以保證,內部的校審製度也難以實施,很容易造成設計安全隱患。
應該說有瞭這次大規模的裝修改造計劃,且另委托其它設計單位做配套結構設計的做法規避瞭即將麵臨的危險,業主和原設計方都是幸運的,任何人也不會想到這個剛建成的項目會存在重大的安全隱患,難道這隻是個例嗎?很難想象類似情況不會發生,有時候危險的發生也就是一瞬間的事兒!
五
結語
現在的結構分析軟件功能強大,傻瓜程度高,學習門檻低,操作界麵簡單易上手,任何新手或者生手經過簡單培訓就可以上手做項目,這造成瞭錯覺,認為隻要會操作結構軟件就可以做結構設計[3],低成本的結構設計確實符閤瞭市場需求,而那些結構水平高、經驗豐富的結構師的作用往往受到瞭輕視。
目前的結構分析設計軟件的水平都非常高,運用於絕大多數工程的能力都綽綽有餘,但是,同一軟件在不同人員手裏起的作用差彆巨大,這是不爭的事實,因為軟件就是一個比較復雜的工具,而如何用好這個工具取決於使用者的水平,正確的使用結構軟件,應具備起碼的結構概念知識和復核分析計算結果的能力,一位優秀的結構師能夠將同一項目的結構做到結構均衡美觀、安全度高、經濟節省。(此文僅代錶作者個人觀點)
參 考 文 獻
[1] PKPM V5 軟件說明書-多層及高層建築結構分析與設計軟件 SATWE 使用指南
[2] 龍馭球 包世華.結構力學[M].北京:人民教育齣版社,1981.
[3] 高立人 方鄂華 錢稼茹.高層建築結構概念設計[M].北京:中國計劃齣版社,2005